JP4378860B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給湯水等の水と冷媒とを熱交換する熱交換器であって、高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルにて給湯水を加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯器（以下、給湯器と略す。）に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
給湯器用の熱交換器は、水道水等の給湯用の水が流通する水チューブと冷媒が流通する冷媒チューブとを有して、水と冷媒とを熱交換して水を加熱するものである。
【０００３】
本発明は、小型、かつ、熱交換効率が高い給湯用の熱交換器を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、ヒートポンプサイクルにて給湯用の水を加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯器に適用され、水と冷媒とを熱交換する熱交換器であって、冷媒が流通する冷媒チューブ（２２１）、及び冷媒チューブ（２２１）に接触し、かつ、水を冷媒の流れに対して交差するように蛇行させて流通させる水チューブ（２２３）を有して構成された複数個の熱交換コア（Ｃａ）を備え、
冷媒チューブ（２２１）は、その内部に、互いに平行に配された複数の冷媒通路（２２１ａ）を有し、
１つの熱交換コア（Ｃａ）では、冷媒は冷媒チューブ（２２１）内を冷媒チューブ（２２１）の長手方向の一端側から他端側に流通し、水は水チューブ（２２３）内を冷媒チューブ（２２１）の長手方向の他端側から一端側に向けて流通することで、冷媒と水とが対向して流れるようになっており、
複数個の熱交換コア（Ｃａ）は、冷媒チューブ（２２１）及び水チューブ（２２３）に対して略直交する方向に重なるように並んでおり、冷媒チューブ（２２１）のうち水チューブ（２２３）と接触している部位とは反対側は、断熱用の空間（２２４）が設けられていることを特徴とする。
【０００５】
これにより、給湯水流れと冷媒流れとが交差かつ対向流れとなるので、給湯水と冷媒とを効率良く熱交換することができる。
【０００６】
また、複数個の熱交換コア（Ｃａ）は、冷媒チューブ（２２１）及び水チューブ（２２３）に対して略直交する方向に重なるように並んでいるので、熱交換器の体格を大きくすることなく、水と冷媒との熱交換面積を増大させることができる。
【０００７】
したがって、本発明によれば、熱交換器の小型化を図りつつ、熱交換効率の高めることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルにて給湯用の水を加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯器に適用され、水と冷媒とを熱交換する熱交換器であって、冷媒が流通する冷媒チューブ（２２１）と、前記水が流通する水チューブ（２２３）とを備え、前記冷媒チューブ（２２１）は、その内部に、互いに平行に配された複数の冷媒通路（２２１ａ）を有し、前記水チューブ（２２３）は、前記冷媒チューブ（２２１）の長手方向全域に渡って、長手方向が前記冷媒チューブ（２２１）の長手方向に対して直交するように前記冷媒チューブ（２２１）と接触した状態で配設された複数本の水チューブ本体（２２３ａ）、及び前記水チューブ本体（２２３ａ）の長手方向端部にて隣り合う前記水チューブ本体（２２３ａ）を接続して前記水の流通方向を１８０°転向させる水チューブヘッダ（２２３ｂ）を有して構成され、
前記冷媒は前記冷媒チューブ（２２１）内を前記冷媒チューブ（２２１）の長手方向の一端側から他端側に流通し、前記水は前記水チューブ（２２３）内を前記冷媒チューブ（２２１）の長手方向の前記他端側から前記一端側に向けて流通することで、前記冷媒と前記水とが対向して流れるようになっており、
さらに、前記冷媒チューブ（２２１）は、前記水チューブヘッダ（２２３ｂ）の長手方向に蛇行しながら、水チューブヘッダ（２２３ｂ）の長手方向及び前記水チューブ本体（２２３ａ）の長手方向と直交する方向に延びており、
前記冷媒チューブ（２２１）のうち前記水チューブ（２２３）と接触している部位とは反対側は、断熱用の空間（２２４）が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
これにより、給湯水流れと冷媒流れとが直交対向流れとなるので、給湯水と冷媒とを効率良く熱交換することができる。
【００１０】
また、冷媒チューブ（２２１）及び水チューブ（２２３）は、共に蛇行した形状となるので、熱交換器の体格を大きくすることなく、給湯水と冷媒との熱交換面積を増大させることができる。
【００１１】
したがって、本発明によれば、熱交換器の小型化を図りつつ、熱交換効率の高めることができる。
【００１２】
ところで、水の中（特に、水道水）には、カルシウム（Ｃａ）が含まれているため、加熱されて水の温度が上昇すると、カルシウムの溶解度が低下して水に溶けていたカルシウムが析出する。そして、析出したカルシウムが水チューブの内壁に付着すると、水チューブが詰まってしまい、熱交換器が機能しなくなる。
【００１３】
これに対して、付着（析出）するカルシウム量を見込んで水チューブの通路断面積を大きく設定すると、水チューブ内を流通する水の流速が小さくなり、水の流通状態が層流状態となるので、水と水チューブとの熱伝達率が小さくなり、熱交換効率が低下する。
【００１４】
これに対して、請求項３に記載の発明では、水チューブ（２２３）内には、複数枚の板状のセグメント（２２３ｇ）を千鳥状にオフセット配置したオフセット型のインナーフィン（２２３ｆ）が配設されていることを特徴とするもので、水と水チューブ（２２３）との間における伝熱面積が増大するとともに、水チューブ（２２３）内を流通する水がインナーフィン（２２３ｆ）により乱されて乱流状態となり、水と水チューブ（２２３）との熱伝達率が大きくなる。
【００１５】
このため、水チューブ（２２３）の通路断面積を大きく設定しても、熱交換効率が大きく低下することがないので、付着（析出）するカルシウム量を見込んで水チューブ（２２３）の通路断面積を大きく設定することができる。したがって、付着（析出）したカルシウムにより水チューブ（２２３）が詰まってしまうことを防止しつつ、熱交換効率を向上させることができる。
【００１６】
ところで、水チューブ（２２３）の通路断面積をカルシウム量を見込んで大きくしているものの、水チューブ（２２３）内にインナーフィン２２３ｆを配設しているので、このインナーフィン（２２３ｆ）の存在により実質的な通路断面積が縮小してしまうおそれがある。
【００１７】
そこで、請求項４に記載の発明では、セグメント（２２３ｇ）間の寸法のうち、水チューブ（２２３）内を流通する水流れに対して略直交する方向に測ったピッチ寸法（Ｐ）を、水チューブ（２２３）の入口側と出口側とで相違させるとともに、水チューブ（２２３）の出口側におけるピッチ寸法（Ｐ）を、水チューブ（２２３）の入口側におけるピッチ寸法（Ｐ）より大きくしている。
【００１８】
これにより、給湯水温度が高くカルシウムが析出し易い給湯水出口側におけるピッチ寸法Ｐを、給湯水出口側に比べて給湯水温度が低く比較的カルシウムが析出し難い給湯水入口側におけるピッチ寸法Ｐより大きくなるので、実質的な通路断面積が縮小してしまうことを防止しつつ、カルシウムの析出による水チューブ（２２３）の詰まりを防止できる。
【００１９】
ところで、ピッチ寸法Ｐを大きくすると、給湯水流れが層流域に近づき、インナーフィン（２２３ｆ）と給湯水との熱伝達率αが小さくなり、熱交換効率が低下するおそれがある。
【００２０】
そこで、請求項５に記載の発明では、インナーフィン（２２３ｆ）に、セグメント（２２３ｇ）の板面（２２３ｅ）が水チューブ（２２３）内を流通する水流れに対して略直交するように配設された直交セグメント部位（２２３ｋ）を設け、さらに、直交セグメント部位（２２３ｋ）を水チューブ（２２３）の出口側に設けている。
【００２１】
これにより、インナーフィン（２２３ｆ）のピッチ寸法Ｐが大きくなる水チューブ（２２３）の給湯水出口側において、セグメント（２２３ｇ）の板面（２２３ｈ）が給湯水流れに対して略直交しているので、セグメント（２２３ｇ）の板面２２３（ｈ）に給湯水が衝突することにより給湯水流れを乱すことができ、熱伝達率αが小さくなることを防止できる。
【００２２】
ところで、冷媒チューブ（２２１）を構成する材料の融点と水チューブ（２２３）を構成する材料の融点とが大きく相違する場合において、両チューブ（２２１、２２３）を直接に接触させた状態でろう付けすると、ろう付け時に両チューブ（２２１、２２３）間に低融点化合物が発生してしまい、ろう付け不良を招いてしまうおそれがある。
【００２３】
そこで、請求項６に記載の発明では、水チューブ（２２３）と冷媒チューブ（２２１）との間に挟まれた鉄製の金属部材（２４６）の表面に被覆されたアルミニウム材とその間に挿入したろう材により両チューブ（２２１、２２３）を接合している。
【００２４】
これにより、両チューブ（２２１、２２３）が直接に接触しないので、ろう付け時に低融点化合物が発生してしまうことを防止でき、ろう付け不良が発生することを未然に防止することができる。
【００２７】
ところで、冷媒チューブ（２２１）を構成する材料の線膨張率と水チューブ（２２３）を構成する材料の線膨張率とが大きく相違すると、ろう付け時（加熱時）に両チューブ（２２１、２２３）の線膨張率の相違により、両チューブ（２２１、２２３）がバイメタルのごとく撓み変形してしまう。
【００２８】
これに対して、請求項７に記載の発明では、冷媒チューブ（２２１）のうち水チューブ（２２３）と接触している部位とは反対側に、冷媒チューブ（２２１）の曲げ剛性を増大させる補強手段（２２８）を設けているので、ろう付け時（加熱時）に両チューブ２２１、２２３が撓み変形してしまうことを未然に防止できる。
【００２９】
なお、請求項８に記載の発明のごとく、水チューブ（２２３）間の距離を保持固定するための保持ブラケット（２４７）を設けてもよい。
【００３０】
また、請求項９に記載の発明のごとく、上方側に水チューブ（２２３）内の空気を抜く空気抜き手段（２２３ｍ）を設け、下方側に水チューブ（２２３）内の水を抜くための水抜き手段（２２３ｎ）を設けることが望ましい。
【００３１】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る熱交換器を家庭用給湯器に適用したものであって、図１は給湯器１００の外観図であり、図２は給湯器１００の模式図である。
【００３３】
図２中、２００（２点鎖線で囲まれたもの）は、給湯水を加熱し高温（本実施形態では約８５℃）の温水を生成する超臨界ヒートポンプ式給湯器（以下、ヒートポンプと略す。）である。
【００３４】
なお、超臨界ヒートポンプとは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルを言い、例えば二酸化炭素、エチレン、エタン、酸化窒素等を冷媒とするヒートポンプサイクルである。
【００３５】
また、３００はヒートポンプ２００にて加熱された温水を保温貯蔵する複数個の保温タンクであり、各保温タンク３００は、温水（給湯水）流れに対して並列となるように配設されている。
【００３６】
図２中、２１０は冷媒（本実施形態では二酸化炭素）を吸入圧縮する圧縮機であり、この圧縮機２１０は、冷媒を吸入圧縮する圧縮機構（図示せず）及び圧縮機構を駆動する電動モータ（図示せず）が一体となった電動圧縮機である。
【００３７】
２２０は本実施形態に係る熱交換器であり、圧縮機２１０から吐出する冷媒と給湯水とを熱交換する水熱交換器（放熱器）である。なお、詳細は後述する。
【００３８】
２３０は水熱交換器２２０から流出する冷媒を減圧する電気式膨張弁（減圧器）であり、２４０は、電気式膨張弁２３０（以下、膨張弁２３０と略す。）から流出する冷媒を蒸発させて大気中の熱を冷媒に吸収させるとともに、後述するアキュムレータ２５０（圧縮機２１０の吸入側）に向けて冷媒を流出する蒸発器である。
【００３９】
２５０は、蒸発器２４０から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機２１０の吸入側に流出するとともに、ヒートポンプ２００中の余剰冷媒を蓄えるアキュムレータである。
【００４０】
２６０は蒸発器２４０に空気（外気）を送風するとともにその送風量を調節することができる送風機（送風量調節手段）であり、この送風機２６０、圧縮機２１０及び膨張弁２３０は、後述する各センサの検出信号に基づいて電子制御装置（ＥＣＵ）２７０により制御されている。
【００４１】
そして、２７１は水熱交換器２２０から流出する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ（冷媒温度検出手段）であり、２７２は水熱交換器に流入する給湯水の温度を検出する第１温水温度センサ（第１温水温度検出手段）である。
【００４２】
２７３は水熱交換器２２０から流出する冷媒の圧力（高圧側の冷媒圧力）を検出する冷媒圧力センサ（冷媒圧力検出手段）であり、２７４は水熱交換器２２０から流出する給湯水の温度を検出する第２温水温度センサ（第２温水温度検出手段）である。そして、各センサ２７１〜２７４の検出信号は、ＥＣＵ２７０に入力されている。
【００４３】
ここで、高圧側の冷媒圧力とは、圧縮機２１０の吐出側から膨張弁２３０の流入側に至る冷媒通路に存在する冷媒の圧力を言い、その圧力は、圧縮機２１０の吐出圧（水熱交換器２２０の内圧）に略等しい。一方、低圧側の冷媒圧力とは、膨張弁２３０の流出側から圧縮機２１０の吸入側に至る冷媒通路に存在する冷媒の圧力を言い、その圧力は、圧縮機２１０の吸入圧（蒸発器２４０の内圧）に略等しい。
【００４４】
また、４００は、水熱交換器２２０に給湯水を供給する（循環させる）と共に、その給湯水量を調節する電動ウォータポンプ（以下、ポンプと略す。）であり、４１０は水道管（図示せず）から給水される水道水が水熱交換器２２０に流入することを防止する閉止弁である。そして、ポンプ４００及び閉止弁４１０もＥＣＵ２７０により制御されている。
【００４５】
次に、水熱交換器２２０について述べる。
【００４６】
図３は水熱交換器２２０の正面図であり、図４は図３の側面図である。図３、４中、２２１は冷媒が流通する断面形状が扁平に形成された冷媒チューブであり、この冷媒チューブ２２１は、図４に示すように、上下方向に蛇行しながら紙面左右方向に延びている。
【００４７】
なお、冷媒チューブ２２１はアルミニウム材を押し出し加工又は引く抜き加工にて成形したものであり、この冷媒チューブ２２１は、図５に示すように、１本の冷媒チューブ２２１内に複数本の冷媒通路２２１ａを有する多穴構造とすることで耐圧強度を高めたものである。
【００４８】
そして、図３中、２２２ａ、２２２ｂは冷媒チューブ２２１の冷媒流通方向両端側に配設されて複数本の冷媒通路２２１ａに連通する冷媒チューブヘッダであり、冷媒チューブヘッダ２２２ａは各冷媒通路２２１ａに冷媒を分配供給するもので、冷媒チューブヘッダ２２２ｂは給湯水と熱交換を終えた冷媒を集合回収するものである。
【００４９】
また、２２３は給湯水が流通する水チューブであり、この水チューブ２２３は、冷媒チューブ２２１の長手方向（上下方向）全域に渡って、長手方向が冷媒チューブ２２１の長手方向（冷媒の流通方向）に対して直交するようにして冷媒チューブ２２１に接触した状態で配設された複数本の水チューブ本体２２３ａ、及び水チューブ本体２２３ａの長手方向端部にて隣り合う水チューブ本体２２３ａを接続して給湯水の流通方向を１８０°転向させる水チューブヘッダ２２３ｂ等から構成されたものである。
【００５０】
一方、冷媒チューブ２２１は、図４に示すように、水チューブヘッダ２２３ｂの長手方向（上下方向）に３回屈曲するように蛇行しながら、水チューブヘッダ２２３ｂ及び水チューブ本体２２３ａの長手方向と直交する方向（紙面左右方向）に延びている。
【００５１】
このため、水熱交換器２２０は、図４に示すように、冷媒チューブ２２１、及びこの冷媒チューブ２２１に接触し、かつ、給湯水を冷媒の流れに対して交差するように蛇行させて流通させる水チューブ２２３からなる４個の熱交換コアＣａを、冷媒チューブ２２１及び水チューブ２２３に対して略直交する方向（紙面左右方向）に重ねた構成となる。
【００５２】
このとき、図６に示すように、隣り合う熱交換コアＣａ間には空間（隙間）２２４が設けられているので、冷媒チューブ２２１のうち水チューブ２２３と接触している部位と反対側は、空間２２４により隣接する熱交換コアＣａから断熱された状態となる。
【００５３】
また、各熱交換コアＣａにおいては、図３に示すように、水チューブ２２３内を流通する給湯水は、冷媒の流れに対して直交（交差）するように蛇行しながら冷媒チューブ２２１の長手他端側から一端側に向けて流通するので、冷媒流れと給湯水流れとは直交対向流れとなる。
【００５４】
ところで、水チューブ２２３（水チューブ本体２２３ａ）は、図６に示すように、断面形状がバスタブ状（弓なり）となるようにプレス成形された第１、２プレート２２３ｃ、２２３ｄをろう付け接合したもので、内部（水通路２２３ｅ内）にオフセット型のインナーフィン２２３ｆが配設されている。なお、第１、２プレート２２３ｃ、２２３ｄ及びインナーフィン２２３ｆは、銅等の耐食性に優れた金属製である。
【００５５】
因みに、オフセット型のフィン（マルチエントリ型フィン）とは、熱交換器設計ハンドブック（工学図書株式会社発行）や第１９回・日本伝熱シンポジウム講演論文集等に記載されているように、複数枚の板状のセグメント２２３ｇを千鳥状にオフセット配置したものである。
【００５６】
ところで、インナーフィン２２３ｆは、水チューブ２２３の給湯水入口側と給湯水出口側とで（本実施形態では、給湯水入口側から数えて２個の熱交換コアＣａと給湯水出口側から数えて２個の熱交換コアＣａとで）、その仕様（セグメント間のピッチピッチ寸法やセグメントの向き等）が相違している。
【００５７】
具体的には、水チューブ２２３の給湯水入口側（給湯水入口側から数えて２個の熱交換コアＣａ）では、図７に示すように、セグメント２２３ｇの板面２２３ｈが給湯水流れに対して略平行となるように配設され、一方、水チューブ２２３の給湯水出口側（給湯水出口側から数えて２個の熱交換コアＣａ）では、図８に示すように、セグメント２２３ｇの板面２２３ｈが給湯水流れに対して略直交するように配設されている。
【００５８】
以下、セグメント２２３ｇの板面２２３ｈが給湯水流れに対して略平行な部位を平行セグメント部位２２３ｊと呼び、セグメント２２３ｇの板面２２３ｈが給湯水流れに対して略直交する部位を直交セグメント部位２２３ｋと呼ぶ。
【００５９】
そしてさらに、本実施形態では、セグメント２２３ｇ間の寸法のうち、水チューブ２２３内を流通する給湯水流れに対して略直交する方向に測ったピッチ寸法Ｐ（図７、８参照）を平行セグメント部位２２３ｊと直交セグメント部位２２３ｋとで（水チューブ２２３の入口側と出口側とで）相違させている。
【００６０】
具体的には、図６に示すように、直交セグメント部位２２３ｋ（水チューブ２２３の出口側）におけるピッチ寸法Ｐを平行セグメント部位２２３ｊ（水チューブ２２３の入口側）におけるピッチ寸法Ｐより大きくしている。
【００６１】
なお、図３、４に示すように、水熱交換器２２０の上方側には、水チューブ２２３内の空気を抜く空気抜き用配管（空気抜き手段）２２３ｍが設けられ、下方側には、水チューブ２２３内の給湯水を抜くための水抜き用配管（水抜き手段）２２３ｎが設けられている。
【００６２】
また、２４５は水熱交換器２２０を固定するための固定用ブラケットであり、この固定用ブラケット２４５は水チューブ２２３（水チューブ本体２２３ａ）にろう付け接合されている。
【００６３】
次に、本実施形態に係る水熱交換器２２０の製造方法の概略について述べる。
【００６４】
先ず、所定形状（バスタブ形状）にプレス成形された第１、２プレート２２３ｃ、２２３ｄのうち両プレート２２３ｃ、２２３ｄの接触面、及びインナーフィン２２３ｆのうち両プレート２２３ｃ、２２３ｄとの接触面にフラックス及びろう材（本実施形態では、リンと銅との合金）を塗布し（ろう材塗布工程）、両プレート２２３ｃ、２２３ｄ及びインナーフィン２２３ｆを図６に示すように組み立てて、ワイヤー等の治具により組み立てた状態を保持する（第１仮組工程）。
【００６５】
次に、第１ろう付け工程で製造されたチューブ２２３と冷媒チューブ２２１との間に、図９に示すように、ろう材（本実施形態では、冷媒チューブ２２１より融点の低いアルミニウム材）が被覆（クラッド）された接合プレート（ろう付け用分離プレート）２４６を挟んだ状態で、ワイヤー等の治具にて両チューブ２２１、２２３を図６に示すように固定する（第２仮組工程）。
【００６６】
ここで、接合用プレート２４６は、鉄系金属を母材としてその表裏両面にアルミニウムを被覆（メッキ）するとともに、そのアルミニウム被覆層（メッキ層）の表面にろう材を被覆（クラッド）又は挿入したものである。
【００６７】
そして、接合用プレート２４６の端部は、図９に示すように、アルミニウム製の冷媒チューブ２２１と銅製の水チューブ２２３（水チューブ本体２２３ａ及び水チューブヘッダ２２３ｂ）とが、ろう付け時に接触してしまうことを確実に防止するためにＬ字状に屈曲している。
【００６８】
次に、第２仮組工程を終了したものを炉内で加熱して両チューブ２２１、２２３をろう付け接合する（ろう付け工程）。
【００６９】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００７０】
本実施形態によれば、給湯水流れと冷媒流れとが直交対向流れとなっているので、給湯水と冷媒とを効率良く熱交換することができる。
【００７１】
また、冷媒チューブ２２１及び水チューブ２２３は、共に蛇行してサーペンタイン状となっているので、水熱交換器２２０の体格を大きくすることなく、給湯水と冷媒との熱交換面積を増大させることができる。
【００７２】
したがって、本実施形態によれば、水熱交換器２２０の小型化を図りつつ、熱交換効率の高めることができる。
【００７３】
ところで、水の中（特に、水道水）には、カルシウム（Ｃａ）が含まれているため、加熱されて水の温度が上昇すると、カルシウムの溶解度が低下して水に溶けていたカルシウムが析出する。そして、析出したカルシウムが水チューブの内壁に付着すると、水チューブが詰まってしまい、熱交換器が機能しなくなる。
【００７４】
これに対して、付着（析出）するカルシウム量を見込んで水チューブの通路断面積を大きく設定すると、水チューブ内を流通する水の流速が小さくなり、水の流通状態が層流状態となるので、水と水チューブとの熱伝達率が小さくなり、熱交換効率が低下する。
【００７５】
これに対して、本実施形態では、水チューブ２２３内にインナーフィン２２３ｆを配設しているので、給湯水と水チューブ２２３との間における伝熱面積が増大するとともに、水チューブ２２３内を流通する給湯水がインナーフィン２２３ｆにより乱されて乱流状態となり、水と水チューブ２２３との熱伝達率が大きくなる。
【００７６】
このため、水チューブ２２３の通路断面積を大きく設定しても、熱交換効率が大きく低下することがないので、付着（析出）するカルシウム量を見込んで水チューブ２２３の通路断面積を大きく設定することができる。したがって、付着（析出）したカルシウムにより水チューブ２２３が詰まってしまうことを防止しつつ、熱交換効率を向上させることができる。
【００７７】
ところで、仮に、水チューブ２２３を単純な直線状のもとし、給湯水を冷媒流れに対して蛇行させることなく冷媒流れと反対向きに流通させた（対向流流れとした）場合には、水チューブ２２３と冷媒チューブ２２１との伝熱面積（接触面積）を確保すべく、水チューブ２２３の長径寸法（幅寸法）と冷媒チューブ２２１の長径寸法（幅寸法）とを等しくせざるを得ない。
【００７８】
ここで、チューブの長径寸法（幅寸法）とは、チューブのうち長手方向と直交する方向と平行な部位の寸法を言うものである。
【００７９】
しかし、水チューブ２２３の長径寸法を冷媒チューブ２２１の長径寸法と等しくすると、水チューブ２２３（水通路２２３ｅ）の幅が大きくなるので、水チューブ２２３（水通路２２３ｅ）の長径方向全域に渡って給湯水を均一に流通させることが難しい。このため、水チューブ２２３のうち流量が小さい部位では、熱交換能力が低下するので、水熱交換器２２０の熱交換能力が低下してしまう。
【００８０】
これに対して、本実施形態では、図３に示すように、冷媒チューブ２２１の長手方向全域に渡って、水チューブ本体２２３を冷媒チューブ２２１に対して直交するように配設して直交対向型の熱交換器を構成しているので、水チューブ２２３と冷媒チューブ２２１との伝熱面積（接触面積）を確保しつつ、水チューブ２３の長径寸法（幅寸法）を小さくすることができるので、水チューブ２２３（水通路２２３ｅ）の長径方向全域に渡って給湯水を均一に流通させることが可能となり、水熱交換器２２０の熱交換能力を向上させることができる。
【００８１】
ところで、水チューブ２２３の通路断面積をカルシウム量を見込んで大きくしているものの、水チューブ２２３（水チューブ本体２２３ａ）内にインナーフィン２２３ｆを配設しているので、このインナーフィン２２３ｆの存在により実質的な通路断面積が縮小してしまうおそれがある。
【００８２】
これに対して、本実施形態では、給湯水温度が高くカルシウムが析出し易い給湯水出口側（直交セグメント部位２２３ｋ）におけるピッチ寸法Ｐを、給湯水出口側に比べて給湯水温度が低く比較的カルシウムが析出し難い給湯水入口側（平行セグメント部位２２３ｊ）におけるピッチ寸法Ｐより大きくしているので、実質的な通路断面積が縮小してしまうことを防止しつつ、カルシウムの析出による水チューブ２２３の詰まりを防止できる。
【００８３】
因みに、本実施形態では、直交セグメント部位２２３ｋにおけるピッチ寸法Ｐを１０ｍｍとし、平行セグメント部位２２３ｊにおけるピッチ寸法Ｐを４ｍｍとしている。
【００８４】
ところで、ピッチ寸法Ｐを大きくすると、給湯水流れが層流域に近づき、インナーフィン２２３ｆと給湯水との熱伝達率αが小さくなり、熱交換効率が低下するおそれがある。
【００８５】
しかし、本実施形態では、インナーフィン２２３ｆのピッチ寸法Ｐが大きくなる水チューブ２２３の給湯水出口側において、セグメント２２３ｇの板面２２３ｈが給湯水流れに対して略直交しているので、セグメント２２３ｇの板面２２３ｈに給湯水が衝突することにより給湯水流れを乱すことができ、熱伝達率αが小さくなることを防止できる。
【００８６】
因みに、図１０は直交セグメント部位２２３ｋにおける熱伝達率αと平行セグメント部位２２３ｊにおける熱伝達率αとを示す試験結果であり、直交セグメント部位２２３ｋにおける熱伝達率αが平行セグメント部位２２３ｊにおける熱伝達率αより大きくなっていることが判る。
【００８７】
なお、直交セグメント部位２２３ｋでは、セグメント２２３ｇの板面２２３ｈが給湯水流れに対して略直交させているので、図１１に示すように、給湯水が流通する際の圧力損失ΔＰが大きくなるが、直交セグメント部位２２３ｋは水チューブ２２３の給湯水出口側に比べて給湯水の流速が低下しているので、直交セグメント部位２２３ｋにおいて、実際の圧力損失ΔＰは小さくなる。したがって、水チューブ２２３の給湯水出口側を直交セグメント部位２２３ｋとしても、実用上、大きな問題はない。
【００８８】
ところで、冷媒チューブ２２１を構成する材料（本実施形態では、アルミニウム）の融点と水チューブ２２３を構成する材料（本実施形態では、銅）の融点とが大きく相違するので、両チューブ２２１、２２３を直接に接触させた状態でろう付けすると、ろう付け時にアルミニウムと銅との低融点化合物が発生してしまい、ろう付け不良を招いてしまう。
【００８９】
これに対して、本実施形態では、両チューブ２２１、２２３間に接合プレート２４６が配設された状態でろう付け接合されているので、両チューブ２２１、２２３が直接に接触しない。したがって、ろう付け時にアルミニウムと銅との低融点化合物が発生してしまうことを防止できるので、ろう付け不良が発生することを未然に防止することができる。
【００９０】
なお、両チューブ２２１、２２３間に接合プレート２４６が配設しないでろう付けする場合には、水チューブ２２３のみをろう付け接合した後、ろう付けが完了した水チューブ２２３と冷媒チューブ２２１とをろう付けするといったように、ろう付け工程を２回以上に分ける必要があるが、本実施形態によれば、両チューブ２２１、２２３が直接に接触しないので、両チューブ２２１、２２３を一回のろう付け工程にて接合することができる。
【００９１】
また、本実施形態では、隣り合う熱交換コアＣａ間には空間２２４が設けられて、冷媒チューブ２２１のうち水チューブ２２３と接触している部位と反対側は、空間２２４により隣接する熱交換コアＣａから断熱された状態となっているので、温度の相違する隣り合う熱交換コアＣａ間において熱交換してしまうことを防止できる。
【００９２】
したがっって、水熱交換器２２０をより理想的な直交対向流型の熱交換器（例えば、コンパクト熱交換器（日刊工業新聞社）等参照）とすることができるので、熱交換効率を高めることができる。
【００９３】
（第２実施形態）
本実施形態は、図１２に示すように、隣り合う熱交換コアＣａ（水チューブ２２３）間の距離（位置）を保持固定するための保持ブラケット２４７を設けたものである。
【００９４】
なお、この保持ブラケット２４７は、図１３に示すように、バネ鋼鋼材からなる略コの字のクリップであり、コの字の開口部を広げるようにして、隣り合う熱交換コアＣａの水チューブヘッダ２２３ｂに固定されている。
【００９５】
因みに、図１２においては、隣り合う熱交換コアＣａの水チューブヘッダ２２３ｂが接触しているが、給湯水間で熱移動があっても、冷媒と給湯水との間における熱移動量には影響がないので、実質的な熱交換効率は変化しない。
【００９６】
（第３実施形態）
ところで、冷媒チューブ２２１を構成する材料（本実施形態では、アルミニウム）の線膨張率と水チューブ２２３を構成する材料（本実施形態では、銅）の線膨張率とが大きく相違するので、ろう付け時（加熱時）に両チューブ２２１、２２３の線膨張率の相違により、両チューブ２２１、２２３がバイメタルのごとく撓み変形してしまう。
【００９７】
そこで、本実施形態では、図１４に示すように、両チューブ２２１、２２３のうち線膨張率が大きく、かつ、曲げ剛性ＥＩが小さい方のチューブ（本実施形態では、冷媒チューブ２２１）であって、他方側のチューブ（本実施形態では、水チューブ２２３）と接触してい部位（接合プレート２４６）と反対側（空間２２４側）に、線膨張率が大きく、かつ、曲げ剛性ＥＩが小さい方のチューブ（本実施形態では、冷媒チューブ２２１）の曲げ剛性ＥＩを増大させる補強プレート（補強手段）２４８を接合配設したものである。
【００９８】
これにより、ろう付け時（加熱時）に両チューブ２２１、２２３が撓み変形してしまうことを未然に防止できる。
【００９９】
（第４実施形態）
上述の実施形態では、隣り合う熱交換コアＣａ間には空間２２４が設けられて、冷媒チューブ２２１のうち水チューブ２２３と接触している部位と反対側は空間２２４であったが、本実施形態は、図１５に示すように、冷媒チューブ２２１が両側の扁平面にて水チューブ２２３と接触するようにしたものである。
【０１００】
これにより、冷媒チューブ２２４と水チューブ２２３との接触面積を増大させるできるので、給湯水と冷媒との熱交換量を増大させることができる。
【０１０１】
なお、本実施形態では、冷媒チューブ２２１が両側の扁平面にて水チューブ２２３と接触するようにしたが、これとは逆に、水チューブ２２３が両側の扁平面にて冷媒チューブ２２１と接触するようにしてもよい。
【０１０２】
（第５実施形態）
上述の実施形態では、水チューブ２２３の給湯水出口側におけるセグメント２２３ｇの板面２２３ｇが給湯水流れに対して略直交するようにしたが、図１６に示すように、板面２２３ｇが給湯水流れに対して鋭角的に交差するようにしてもよい。
【０１０３】
（第６実施形態）
上述の実施形態における平行セグメント部位では、図１７に示すように、２枚のセグメント２２３ｇを１組として、各セグメント２２３を千鳥状に配置したが、本実施形態は、図１７に示すように、３枚のセグメント２２３ｇを１組として、各セグメント２２３を千鳥状に配置したものである。
【０１０４】
なお、図１９は本実施形態に係るインナーフィン２２３ｆを給湯水流れ上流側から見た正面図であり、図２０は本実施形態に係るインナーフィン２２３ｆの上面図である。
【０１０５】
（第７実施形態）
本実施形態は、図２１、２２に示すように、空気抜き用配管２２３ｍ及び水抜き用配管２２３ｎを廃止したものである。
【０１０６】
（第８実施形態）
本実施形態は、図２３に示すように、冷媒チューブ２２１及び水チューブ２２３と配管Ｐとの接続部ｊに、耐圧試験用治具（図示せず。）を接続することができるようにネジ部ｊｓを設けたものである。
【０１０７】
なお、耐圧試験の完了後は、図２４に示すように、配管Ｐを接続部ｊ内に挿入した状態でろう付け等の接合手段により配管Ｐを接続部ｊに接合する。
【０１０８】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、水チューブ２２３の給湯水入口側と出口側とのインナーフィンの仕様を相違させたが、給湯水入口側から出口側まで全域、同じ仕様のインナーフィン２２３としてもよい。
【０１０９】
また、上述の実施形態では、水チューブ２２３の給湯水入口側と出口側とで板面２２３ｅの傾きを給湯水流れに対して変えたが、給湯水入口側から出口側まで全域、同じ傾きとし、ピッチ寸法のみ相違させてもよい。なお、この場合に使用するインナーフィン２２３ｆは、図７、８、１６、１９に示すインナーフィン又はその他のインナーフィンのいずれであってもよい。
【０１１０】
また、上述の実施形態では、水チューブ２２３の給湯水入口側と出口側とでピッチ寸法が異なるインナーフィンであったが、給湯水入口側から出口側まで全域、同じピッチ寸法とし、板面２２３ｅの傾きを給湯水流れに対して変えてもよい。
【０１１１】
また、上述の実施形態では、水チューブ２２３の給湯水入口側と出口側とを区別するにあたって、熱交換コアＣａを一単位として区別したが、本発明はこれに限定されるものではなく、給湯水温度が略６５℃未満となる部位と、略６５℃以上（〜９０℃程度）となる部位とで区別してもよい。
【０１１２】
また、上述の実施形態では、超臨界ヒートポンプ式給湯器に本発明に係る熱交換器を適用したが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、臨界圧力未満で稼働するヒートポンプ式給湯器等のその他のヒートポンプにも適用することができる。
【０１１３】
なお、本発明により給湯される温水は、飲料用、暖房用、加熱用等のその用途は限定されるものではない。また、冷媒は二酸化炭素に限定されるものではなく、水やアルコール等のその他のものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る給湯器の外観図である。
【図２】本発明の実施形態に係る給湯器の模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る熱交換器の正面図である。
【図４】図３の右側面図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る熱交換器の冷媒チューブの断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る熱交換器のチューブ部分における断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る熱交換器の水平セグメント部位を示す模式図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る熱交換器の垂直セグメント部位を示す模式図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る熱交換器の水チューブヘッダの拡大断面図である。
【図１０】熱伝導率と流速との関係を示すグラフである。
【図１１】圧両損失と流速との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る熱交換器の水チューブヘッダの拡大断面図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る熱交換器の保持ブラケットの拡大図である。
【図１４】本発明の第３実施形態に係る熱交換器のチューブ部分における断面図である。
【図１５】本発明の第４実施形態に係る熱交換器の側面図である。
【図１６】本発明の第５実施形態に係る熱交換器のセグメントを示す模式図である。
【図１７】一般的なオフセットフィンのセグメントを示す模式図である。
【図１８】本発明の第６実施形態に係るオフセットフィンのセグメントを示す模式図である。
【図１９】第６実施形態に係るインナーフィンを給湯水流れ上流側から見た正面図である。
【図２０】第６実施形態に係るインナーフィンの上面図である。
【図２１】本発明の第７実施形態に係る熱交換器の側面図である。
【図２２】本発明の第７実施形態に係る熱交換器の側面図である。
【図２３】本発明の第８実施形態に係る熱交換器の接続部の拡大図である。
【図２４】本発明の第８実施形態に係る熱交換器の接続部の拡大図である。
【符号の説明】
２２１…冷媒チューブ、２２２ａ、２２２ｂ…冷媒チューブヘッダ、
２２３…水チューブ、２２３ａ…水チューブ本体、
２２３ｂ…水チューブヘッダ

Claims (9)

1. 水と冷媒とを熱交換する熱交換器であって、
   前記冷媒が流通する冷媒チューブ（２２１）、及び前記冷媒チューブ（２２１）に接触し、かつ、前記水を前記冷媒の流れに対して交差するように蛇行させて流通させる水チューブ（２２３）を有して構成された複数個の熱交換コア（Ｃａ）を備え、
   前記冷媒チューブ（２２１）は、その内部に、互いに平行に配された複数の冷媒通路（２２１ａ）を有し、
   １つの前記熱交換コア（Ｃａ）では、前記冷媒は前記冷媒チューブ（２２１）内を前記冷媒チューブ（２２１）の長手方向の一端側から他端側に流通し、前記水は前記水チューブ（２２３）内を前記冷媒チューブ（２２１）の長手方向の前記他端側から前記一端側に向けて流通することで、前記冷媒と前記水とが対向して流れるようになっており、
   前記複数個の熱交換コア（Ｃａ）は、前記冷媒チューブ（２２１）及び前記水チューブ（２２３）に対して略直交する方向に重なるように並んでおり、
   前記冷媒チューブ（２２１）のうち前記水チューブ（２２３）と接触している部位とは反対側は、断熱用の空間（２２４）が設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 水と冷媒とを熱交換する熱交換器であって、
   前記冷媒が流通する冷媒チューブ（２２１）と、
   前記水が流通する水チューブ（２２３）とを備え、
   前記冷媒チューブ（２２１）は、その内部に、互いに平行に配された複数の冷媒通路（２２１ａ）を有し、
   前記水チューブ（２２３）は、前記冷媒チューブ（２２１）の長手方向全域に渡って、長手方向が前記冷媒チューブ（２２１）の長手方向に対して直交するように前記冷媒チューブ（２２１）と接触した状態で配設された複数本の水チューブ本体（２２３ａ）、及び前記水チューブ本体（２２３ａ）の長手方向端部にて隣り合う前記水チューブ本体（２２３ａ）を接続して前記水の流通方向を１８０°転向させる水チューブヘッダ（２２３ｂ）を有して構成され、
   前記冷媒は前記冷媒チューブ（２２１）内を前記冷媒チューブ（２２１）の長手方向の一端側から他端側に流通し、前記水は前記水チューブ（２２３）内を前記冷媒チューブ（２２１）の長手方向の前記他端側から前記一端側に向けて流通することで、前記冷媒と前記水とが対向して流れるようになっており、
   さらに、前記冷媒チューブ（２２１）は、前記水チューブヘッダ（２２３ｂ）の長手方向に蛇行しながら、前記水チューブヘッダ（２２３ｂ）の長手方向及び前記水チューブ本体（２２３ａ）の長手方向と直交する方向に延びており、
   前記冷媒チューブ（２２１）のうち前記水チューブ（２２３）と接触している部位とは反対側は、断熱用の空間（２２４）が設けられていることを特徴とする熱交換器。
3. 前記水チューブ（２２３）内には、複数枚の板状のセグメント（２２３ｇ）を千鳥状にオフセット配置したオフセット型のインナーフィン（２２３ｆ）が配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記セグメント（２２３ｇ）間の寸法のうち、前記水チューブ（２２３）内を流通する前記水流れに対して略直交する方向に測ったピッチ寸法（Ｐ）は、前記水チューブ（２２３）の入口側と出口側とで相違しており、
   さらに、前記水チューブ（２２３）の出口側における前記ピッチ寸法（Ｐ）は、前記水チューブ（２２３）の入口側における前記ピッチ寸法（Ｐ）より大きいことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記インナーフィン（２２３ｆ）には、前記セグメント（２２３ｇ）の板面（２２３ｅ）が前記水チューブ（２２３）内を流通する前記水流れに対して略直交するように配設された直交セグメント部位（２２３ｋ）が設けられており、
   さらに、前記直交セグメント部位（２２３ｋ）は、前記水チューブ（２２３）の出口側に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記水チューブ（２２３）は銅またはステンレス製であり、前記冷媒チューブ（２２１）はアルミニウム製であり、
   さらに、前記水チューブ（２２３）と前記冷媒チューブ（２２１）とは、前記水チューブ（２２３）と前記冷媒チューブ（２２１）との間に挟まれた鉄製の金属部材（２４６）の表面に被覆されたアルミニウム材とその間に挿入したろう材により接合されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱交換器。
7. 前記冷媒チューブ（２２１）のうち前記水チューブ（２２３）と接触している部位とは反対側には、前記冷媒チューブ（２２１）の曲げ剛性を増大させる補強手段（２２８）が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記水チューブ（２２３）間の距離を保持固定するための保持ブラケット（２４７）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の熱交換器。
9. 上方側には、前記水チューブ（２２３）内の空気を抜く空気抜き手段（２２３ｍ）が設けられ、
   下方側には、前記水チューブ（２２３）内の水を抜くための水抜き手段（２２３ｎ）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の熱交換器。

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